沙棘植物柔性坝糙率系数的野外水流试验

为了研究沙棘植物柔性坝的糙率系数,在陕西省华县小华山水库沙棘植物柔性坝进行了沙棘植物柔性坝野外水流试验。运用河流泥沙动力学理论推导了沙棘植物柔性坝的糙率估计公式,并对一定生长期非淹没流的沙棘植物柔性坝的糙率系数进行了估算。结果表明,沙棘柔性坝的糙率范围大致介于0.04~0.09的范围内;并基于野外水流试验数据,按照河流动力学方法对沙棘植物柔性坝的糙率系数进行了反推计算,所得结果与用理论公式估计的结果比较吻合,表明沙棘植物柔性坝糙率理论估计公式可用于对沙棘植物柔性坝的糙率估计,这对于进一步深入研究沙棘植物柔性坝的拦沙效应与机理具有重要意义。     

植被分布对地表糙率影响

[目的]分析在植被淹没或非淹没状态不同植被覆盖密度影响下,地表糙率的变化规律与特征,为进一步研究植被对地表糙率的影响提供参考。[方法]试验以塑料棒模拟植被分布,模拟出不同密度,分别进行放水试验。[结果]在植被淹没与非淹没状态下地表糙率的变化不同,在非淹没状态时,地表糙率随着平均水深的增加呈减小的趋势,在淹没水深小时,地表糙率随着平均水深的增加而先增大后减小,而当淹没水深很大时,地表糙率趋向于一个稳定值。[结论]地表糙率取值随植被覆盖密度的增大而增大;同一下垫面情况下,不同的水流方向,地表糙率取值不相同。     

沙棘柔性坝对砒砂岩沟道泥沙粒径分布及有机质影响

为了进一步研究沙棘"柔性坝"对砒砂岩沟道泥沙的影响,基于内蒙古砒砂岩地区沙棘"柔性坝"野外试验,根据单座沙棘"柔性坝"一次降雨淤积后的试验数据,运用对比分析的方法,研究了沙棘"柔性坝"对砒砂岩沟道泥沙粒径分布及有机质的影响及其拦沙效果。结果表明:单座沙棘"柔性坝"能够提高砒砂岩沟道泥沙有机质含量,具有淤粗排细的分选功能和良好的拦沙效果。泥沙有机质从沙棘"柔性坝"上游到下游逐渐增加,沿泥沙剖面表现出先增后减的趋势;泥沙粒径从沟道上游到下游先增大后减小,沿一次降雨淤积的泥沙剖面也表现出先增后减的趋势;暴雨后沙棘"柔性坝"单位面积淤积泥沙的平均厚度为0.369m,与对比沟相比,淤积的泥沙厚度明显较高。     

沙棘柔性坝对土壤有机质改善作用的试验研究

于2005年在内蒙古准格尔旗西召沟小流域进行了野外调查、采样及室内土壤有机质含量测定试验。结果表明，种植沙棘柔性坝的沟道土壤有机质含量远远大于未治理的对比沟，从而证实了沙棘柔性坝具有显著地提高沟道的土壤有机质含量，改善沟道土壤肥力生态效应。土壤有机质含量具有一定的垂向变化，大多数情况下表层土壤的有机质含量高于中、下层土壤；沟道及沙棘柔性坝的土壤有机质含量在纵向大致呈现由上游到下游缓慢递增的过程。沟道土壤有机质的这种纵向变化规律与沙棘植物柔性坝拦沙淤积厚度纵向变化规律相同。     

沙棘"柔性坝"对沟道土壤粒径分布影响的试验研究

沙棘“柔性坝”取得了良好的拦沙效果,为了进一步了解其对沟道土壤粒径分布的影响,试验测定了种植沙棘“柔性坝”的沟道内不同位置、不同深度的土壤颗粒级配,同时与一条未种植沙棘的小支沟进行了对比分析。结果表明：同未种植沙棘的沟道相比,由于沙棘的生长及其对坝内生态环境的逐渐改善,坝内淤积的泥沙整体上呈细化趋势,上游断面处此变化最为明显;受局部地形的影响,单个坝体内泥沙淤积无明驻规律;由于沙棘“柔性坝”的存在,沟道内泥沙粒径从上游到下游呈递减趋势,且沙棘对粒径大于0．25mm的粗颗粒泥沙具有较好的分选效果。     

不同人工糙率床面水力学特性的试验研究

采用变坡试验水槽,研究了不同流量,不同坡度以及不同糙率条件下坡面流水力学参数(雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数)变化规律。研究结果表明,在糙率、坡度相同情况下,坡面流的雷诺数、弗劳德数、平均流速、水深和阻力系数均随流量的增大而增大;在坡度、流量相同条件下,随着糙率的增大,坡面流的雷诺数,弗劳德数和平均流速在减小,阻力系数和水深在增大;平均流速、水深和阻力系数与流量和坡度的关系可用简单幂函数表示,而且主要由流量控制。     

沙棘植物对砒砂岩沟道土壤改良效应的研究

基于内蒙古砒砂岩地区准格尔旗东一支沟沙棘植物柔性坝野外水保试验,根据监测的土壤有机质数据,运用比较与统计分析的方法,研究了沙棘植物对沟道土壤的改良效应.结果表明,沙棘植物的存在,极大地提高了沟道土壤肥力,改善了植物群落的生长环境,对于该区生态环境的恢复与重建具有重要意义.沙棘柔性坝所形成的复合地表枯枝落叶层的腐殖质、根系的死亡代谢及分泌物都是沟道土壤有机质的重要来源;沙棘植物柔性坝沟道0-30 cm土壤层的有机质含量平均值要高出对比沟1.25倍;东一支沟沙棘柔性坝沟道土壤有机质含量从上游到下游表现出沿程增加的趋势;各典型沙棘柔性坝沿土壤剖面的有机质含量平均值是相应对比沟的约1.8倍;有机质沿土壤剖面的分布对比说明,沙棘植物的存在改变了沟道有机质沿土壤剖面的分布,这种分布有利于沙棘植物及砒砂岩沟道次生植物群落的生长与恢复.     

砒砂岩地区沙棘“柔性坝”拦沙与生态效应试验研究

沙棘植物“柔性坝”是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,尤其适合生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古砒砂岩地区鄂尔多斯市准格尔旗东一支沟开展了沙棘植物“柔性坝”野外拦沙保水实验,泥沙颗粒级配分析结果表明,沟道“柔性坝”坝系普遍发生了淤积,与下游刚性谷坊配套使用可天然分选沟道里的泥沙——拦粗淤细,将粗沙拦截在沟道里,细沙淤在下游谷坊中,拦沙效果非常明显。“柔性坝”沟道土壤水分监测表明,沙棘植物“柔性坝”沟道土壤剖面含水量年内动态变化有着明显的差异,“柔性坝”可显著调节沟道土壤水分,提高水源涵养能力,促进“柔性坝”自我繁殖,实现坝体的自我增长。     

沙棘植物"柔性坝"沟道土壤水分时空动态变化研究

沙棘植物柔性坝是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,特别适合于生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古准格尔旗砒砂岩地区东一支沟开展了沙棘植物柔性坝野外拦沙保水实验,结果表明,沙棘植物柔性坝各部位的土壤剖面含水量年内、年际时空动态变化有着明显的差异,沙棘植物柔性坝对沟道土壤水分具有显著的调节作用,降雨、地表植被种类、植被生长状况、土壤理化性质、地形和当地水文气象条件等是影响土壤水分时空变异的重要因子,而其中降雨和地表植被是主要影响因素。     

沙棘“柔性坝”对土壤水分调控作用的试验研究

沙棘植物“柔性坝”拦沙淤积效果明显，为了探求沙棘“柔性坝”对土壤水分的调控作用，在内蒙古准格尔旗西召沟东一支沟小流域内对5座沙棘“柔性坝”开展了野外试验研究，同时在东一支沟左岸一未种植沙棘“柔性坝”的小支沟进行了对比试验。沿沟道及“柔性坝”坝体纵向设置若干断面，每个断面设2～3个采样点，每个采样点在1 m深度范围内分9层采集土样测定土壤含水率。试验结果表明：降雨后，沙棘“柔性坝”坝体土壤水分的垂向分布呈现降低型(土壤含水率随土层深度的增加而降低)；而对比沟各断面的土壤含水率的垂向分布则为增长型或波动型。这表明沙棘“柔性坝”有利于雨水下渗和增加土壤含水率，进而起到保水固土和促进植被生长的作用。从“柔性坝”坝体中部至上游淤积体，平均土壤含水率呈现纵向递增趋势；并基于达西定律探讨了断面平均土壤含水率与纵向距离之间的关系。     

大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响

通过室内定床冲刷试验,选用砂布床面模拟土壤下垫面,选用砂布+塑料半球体(直径为40mm)床面模拟大粗糙单元下垫面,在较大流量(2.81~84.43L/min)、坡度(2°~10°)范围内,系统研究了大粗糙单元对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:(1)大粗糙单元床面的平均流速、平均水深和弗劳德数与流量之间均呈幂函数正相关关系;平均流速和弗劳德数与坡度之间均呈幂函数正相关关系,而平均水深与坡度之间呈幂函数负相关关系;阻力系数随雷诺数的增大而逐渐减小。(2)大粗糙单元增加了坡面流阻力,延缓了坡面流流速,雍高了坡面流水深,并使得水流流型由急流趋向缓流发展。(3)坡面流绕流现象明显,大粗糙单元周围水深的大小为迎水深(h_1)侧水深(h_2)背水深(h_3),在较小坡度下(2°和4°),h_1-h_3随流量的增大先增大后趋于稳定,在较大坡度下(6°,8°和10°),h_1-h_3随流量的增大先增大后减小。(4)坡面流阻力由颗粒阻力和绕流阻力组成,绕流阻力占总阻力的29%~77%,绕流阻力随流量的增加而减小。研究结果可为坡面土壤侵蚀物理模型的构建提供一定理论依据。     

不同糙率坡面水力学特征的试验研究

在室内试验的基础上,采用定床阻力试验研究了坡面流水力学参数(雷诺数、佛汝德数、阻力系数和流速)随床面糙率、流量和坡度的变化规律。初步得出以下结论:(1)在床面和流量相同条件下,坡面流雷诺数和佛汝德数均随坡度的增加而增大。(2)在坡度和流量相同情况下,随着坡面粗糙度增加,坡面流雷诺数和佛汝德数均呈减小趋势;同时水流流速减小,阻力系数增大,这说明水流克服阻力做功所消耗的能量也增加。     

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线、紊动强度、雷诺应力和壁面切应力的变化规律。结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A成反比,与积分系数B成正比。(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似。流向紊动强度随相对水深的增大而减小。随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异。渐变粗糙床面下流向紊动强度符合Nezu经验公式,流量与经验系数成正比。(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似。在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y/H=0.2~0.4处。随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大。综合表明,增加PIV分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究。探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路。     

Effects of Vegetation Stems on Hydraulics of Overland Flow Under Varying Water Discharges

Vegetation plays an important role in soil erosion control, but few studies have been performed to quantify the effects of vegetation stems on hydraulics of overland flow. Laboratory flume experiments were conducted to investigate the potential effects of vegetation stems on Reynolds number, Froude number, flow velocity and hydraulic resistance of silt‐laden overland flow. Cylinders with diameter D of 2·0, 3·2 and 4·0 × 10⁻² m were glued onto the flume bed to simulate the vegetation stems, and a bare slope was used as control. The flow discharge varied from 0·5 to 1·5 × 10⁻³ m³ s⁻¹ and slope gradient was 9°. Results showed that Reynolds number on vegetated slope was significantly higher than that on bare slope because of the effect of vegetation stems on effective flow width. All the flows were supercritical flow, but Froude number decreased as D increased, implying a decrease in runoff ability to carry sediment. The mean flow velocity also decreased with D, while the velocity profile became steeper, and no significant differences were found in surface flow velocities among longitudinal sections on all slopes. Darcy–Weisbach friction coefficient increased with D, implying that the energy consumption of overland flow on hydraulic resistance increased. Reynolds number was not a unique predictor of hydraulic roughness on vegetated slopes. The total resistance on vegetated slopes was partitioned into grain resistance and vegetation resistance, and vegetation resistance accounted for almost 80% of the total resistance and was the dominant roughness element. Further studies are needed to extend and apply the insights obtained under controlled conditions to actual overland flow conditions. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

模拟暴雨条件下植被混凝土坡面侵蚀的水动力学特征

[目的] 探究不同外掺料对暴雨条件下植被混凝土坡面侵蚀水动力学特征的影响,在降雨侵蚀方面为植被混凝土的配方改进提供科学依据。[方法] 通过室外模拟降雨试验,在60°坡度、3种雨强（60,90,120 mm/h）下研究4种外掺条件（无添加、聚丙烯酰胺、生物炭、棕榈纤维）的植被混凝土坡面侵蚀状况,并分析坡面水动力学参数与土壤侵蚀量之间的关系。[结果] 坡面雷诺数始终小于500,坡面流为层流;未添加外掺料的坡面弗劳德数始终小于1,坡面流为缓流,添加外掺料的坡面弗劳德数始终大于1,坡面流为急流。添加外掺料的坡面具有较大的坡面流速、水流功率,较小的水流剪切力、径流深度和阻力系数。添加生物炭的坡面土壤侵蚀量显著高于无添加坡面,添加聚丙烯酰胺和棕榈纤维的坡面土壤侵蚀量显著低于无添加坡面。[结论] 外掺料对植被混凝土坡面水动力学参数影响显著。土壤侵蚀量与雷诺数、水流功率呈极显著正相关关系。添加聚丙烯酰胺和棕榈纤维能有效降低植被混凝土边坡土壤侵蚀量,可在高陡边坡生态恢复工作中进行应用。     

不同植物边坡的糙率系数和水力学特征参数

[目的]研究北方土石山区植物边坡糙度,为坡面生态防护的最佳植物配置选择提供依据。[方法]在北京市昌平区试验基地设置多组不同地表类型的径流小区,设计了控制流速、流量的野外放水冲刷试验。[结果](1)与乔灌植被相比较,草本植被对地表径流流速具有良好的阻滞作用,毛白杨对地表流速有加速作用。(2)草地的平均糙率系数最大,裸地最小。对裸地进行处理后发现,铺设枯枝物,可以有效提高地表糙率系数值,通过砾石压盖处理的地表糙率系数并未有明显改变。(3)各类地表下垫面的雷诺系数Re均介于21.34~23.49之间,枯落物小区Re最大,毛白杨小区Re最小,水流均为层流,紊动性弱;弗劳德数Fr介于0.35~2.55之间;阻力系数f介于1.03~54.43之间。[结论]枯落物和草地可以有效减缓地表径流流速;毛白杨下垫面防蚀功能最弱。